Лазерный ускоритель. Как работает лазерный ускоритель. Отличие кильватерной волны у лазерного импульса

Сразу две публикации сообщают о первой экспериментальной реализации новой методики ускорения заряженных частиц - лазерного ускорения над диэлектрическими структурами. Она подкупает не только сильным ускоряющим полем, но и своей дешевизной, полностью оптической конструкцией, компактностью и простотой масштабирования. Практическая реализация такого «ускорителя-на-чипе» позволит резко снизить стоимость и повысить доступность ускорителей для прикладных исследований.

Трудности ускорительной физики

Ускорители элементарных частиц нужны не только физикам, но и обычных людям. Из десятков тысяч ускорителей, которые сейчас существуют в мире, лишь около сотни работают по прямому назначению, для изучения микромира. Все остальные используются для решения прикладных задач в биологии, в материаловедении, в медицине и даже, как это ни странно, для изучения истории Древнего мира (вот лишь один пример). Краткое перечисление этих применений можно найти, например, в брошюре Accelerators and Beams, Tools for discovery and innovation (PDF, 7 Мб).

Главная задача ускорителя - ускорять электроны, протоны и другие частицы до нужных энергий. Конечно, энергия - это не единственная характеристика пучка частиц; обычно еще требуется, чтобы он был узким, интенсивным, хорошо сфокусированным, монохроматичным, с хорошим продольным профилем и т. д. Но первостепенной задачей является именно ускорение. Ускоряют заряженные частицы с помощью продольного электрического поля, и чем сильнее поле, тем более эффективным является ускорение. Пересчет поля в энергии тут элементарный. Если у вас внутри установки создано электрическое поле напряженностью 1 мегавольт на метр (МВ/м), то ускоряющий градиент составляет тот же 1 МэВ/м, то есть на каждом метре пути энергия электрона или протона увеличивается на 1 мегаэлектронвольт (МэВ). Если вы хотите ускорить электрон до энергии 100 ГэВ, будьте добры обеспечить 100-километровый участок с таким градиентом, либо придумайте, как его увеличить.

Ускоряющего поля напряженностью в мегавольты и даже десятки мегавольт на метр современная технология еще позволяет достичь. Обычно внутри специально изготовленной сверхпроводящей камеры сложной формы возбуждается мощная стоячая электромагнитная волна, которая подталкивает пролетающие сквозь нее частицы (проверить свои навыки ускорения частиц можно во флэш-игре LHC Game). Однако градиент больше нескольких десятков МэВ/м в таких камерах получить не удается - металл просто не выдерживает слишком сильного поля, происходит пробой камеры. Именно поэтому линейный электрон-позитронный коллайдер на энергию порядка 1 ТэВ будет длинным, несколько десятков километров, и, как следствие, довольно дорогим.

Другой вариант - сделать ускоритель не линейным, а циклическим, то есть кольцевым (см. устройство типичного ускорителя на интерактивном плакате). Частицы в нем постоянно циркулируют внутри кольцевой трубы, а не проходят всю дистанцию только один раз. Тогда ускорительную секцию можно поставить скромную, зато энергию можно увеличивать, казалось бы, без ограничений - ведь частицы будут пролетать ее миллионы раз в секунду. К сожалению, тут есть другая проблема. Частицы со слишком большой энергией трудно удерживать на кольцевой траектории. На линейном участке - пожалуйста, но как только частице нужно поворачивать, к ней надо прикладывать силу. А это достигается опять-таки за счет внешнего поля - на этот раз магнитного поля внутри поворотного магнита . Поскольку оно ограничено, приходится частицы поворачивать постепенно , то есть увеличивать радиус поворота. Поэтому кольцевые ускорители на большие энергии, например Большой адронный коллайдер, тоже получаются огромными.

В случае циклических ускорителей электронов возникает еще дополнительная проблема: электроны при повороте излучают электромагнитные волны и теряют энергию. Поэтому ускорительная секция должна, прежде всего, компенсировать потери энергии на каждом обороте, а уж потом увеличивать энергию. И когда на одно лишь поддержание энергии требуется тратить сотни мегаватт (!), дальнейшее ее повышение становится просто нерентабельным. А для линейной траектории таких проблем нет.

Получается, в обоих типах ускорителя есть естественное ограничение на энергию частиц, и возникает оно потому, что мы до сих пор не умеем создавать и держать достаточно сильные электрические и магнитные поля. Никакие обычные, отлаженные сейчас ускорительные технологии не могут справиться с этой проблемой.

К счастью, для подавляющего большинства прикладных ускорителей это не проблема. Энергии там требуются небольшие, порядка сотен МэВ, их вполне можно получить и на установке размером несколько метров. Но остаются другие технические проблемы, начиная от высокотехнологического процесса изготовления ускорительных секций и заканчивая сложной инфраструктурой и большим энергопотреблением. Да и компактными такие ускорители не назовешь: под них в любом случае приходится выделять целое здание. О настольном, а тем более портативном ускорителе можно только мечтать.

Попытки разорвать заколдованный круг

Единственный способ резко уменьшить размеры ускорителей и удешевить их производство - найти новую технологию ускорения частиц , которая позволила бы увеличить ускоряющий градиент хотя бы до сотен МэВ/м. И надежды на это есть. Дело в том, что в принципе поле напряженностью в многие гигавольты на метр получить несложно; главная трудность - как его удерживать , ведь такое поле вызовет пробой металлических стенок.

Хорошо известны два способа, как эту трудность обойти: это лазерные и лазерно-плазменные ускорители . Эти технологии уже давно на слуху, см. видео-рассказ , лекцию с многочисленными анимациями, подборку популярных материалов о ней, а также , новость , и задачу на «Элементах». В лазерных ускорителях металлическая фольга облучается сверхмощным лазерным импульсом (пиковая мощность порядка петаватт), который буквально «выдувает» электроны из фольги . В лазерно-плазменной технологии используют не металлические структуры, а ячейки с плазмой; если плазму вывести из состояния равновесия, в ней могут возникать поля аж в сотни гигавольт на метр. Конечно, плазма не будет такое поле держать, но это и не нужно. Достаточно создать его внутри пузырька, который будет лететь вместе со сгустком частиц и ускорять его на всей длине плазменной камеры. Эта технология - давно не фантазия, она уже была успешно продемонстрирована в эксперименте. Уже были достигнуты градиенты в десятки ГэВ/м, то есть в тысячу (!) раз больше, чем с помощью традиционных технологий, правда, на очень коротком участке, длиной в считанные миллиметры.

У этих многообещающих технологий есть, впрочем, и недостатки. Первый - проблемы с масштабируемостью. О лазерных ускорителях вообще нечего говорить: там ускорение получается только однократным при прожигании одного листочка фольги. В лазерно-плазменных огромные поля продемонстрированы пока внутри маленькой камеры размером не более нескольких сантиметров. Для ускорения на большие энергии требуется состыковать множество таких камер друг с другом и синхронизовать образование плазменного пузырька во всех них. Вот эта задача пока остается нерешенной, хотя первые эксперименты по стыковке двух камер уже проведены.

Другая очевидная проблема - поведение пучка ускоряемых частиц. Ведь пучку приходится не только лететь сквозь саму плазму, но и постоянно проходить через стенки камер. Совместимо ли это с требуемыми параметрами пучков и их интенсивностью - вопрос сложный; в любом случае, приходится ломать голову над тем, как бы не испортить пучок ускорением.

И наконец, остается проблема со стоимостью. Даже если удастся создать, скажем, компактный протонный лазерный ускоритель для выжигания раковых опухолей, он всё равно будет использовать сверхмощный лазер, а это очень дорогая установка.

Впрочем, к чести лазерно-плазменных ускорителей надо сказать, что их потенциал далеко не исчерпан. Несколько месяцев назад была описана схема и проведено численное моделирование электронного ускорения в периодической плазменной структуре. Ускоряющие градиенты там получаются совсем заоблачные, много ТэВ/м. Если это удастся реализовать, то хиггсовские бозоны можно будет рождать в настольном ускорителе. Однако от идеи до экспериментальной реализации путь длинный, поэтому эти предложения лежат пока, скорее, в сфере желаемого, чем действительного.

Новая технология ускорения

В сложившейся ситуации с традиционными и лазерно-плазменными ускорителями кажется очень привлекательной еще одна методика - диэлектрический лазерный ускоритель . Не обещая огромных ускоряющих градиентов, эта схема подкупает своей простотой, масштабируемостью, компактностью и дешевизной. Она была предложена не так давно, и до сих пор всё ограничивалось только теоретическими исследованиями этого типа ускорителей. Но сейчас ситуация изменилась: на днях в журналах Nature и Physical Review Letters одновременно вышли две статьи, в которых сообщается о первой успешной реализации этого метода. Ускорение электронов, достигнутое в этих работах, пока что совершенно ничтожно, но за высокой эффективностью тут никто и не гнался - эти опыты лишь успешно доказали, что метод работает. Уже сейчас видно, как без труда улучшить все показатели пучков.

Обрисуем вкратце суть диэлектрического лазерного ускорения на примере статьи в Phys. Rev. Lett. В крошечном образце прозрачного диэлектрика (например, кварцевого стекла) вытравливаются длинные параллельные бороздки с периодом в долю микрона (рис. 2). Получается фазовая дифракционная решетка, но с очень маленьким периодом. Снизу сквозь стекло пропускают лазерный луч с длиной волны чуть больше, чем период решетки. А прямо над этой структурой, параллельно поверхности стекла, пролетает компактный электронный сгусток. Он чувствует только лазерный луч - направленный, заметьте, перпендикулярно движению электронов! - но именно этот лазерный свет его ускоряет (рис. 1).

За счет чего происходит здесь ускорение? Свет с линейной поляризацией, перпендикулярной бороздкам, наводит на них поляризацию. Поэтому в вакууме непосредственно над поверхностью существует колеблющееся периодическое электрическое поле (рис. 3). Если период структуры слишком маленький, то это поле держится около поверхности, словно некий «виртуальный» свет, и не может улететь вверх. Это так называемое ближнее световое поле , или эванесцентная волна (см. задачу на похожую тему). Его можно представить как набор электромагнитных волн, которые бегут вдоль поверхности стекла, но перпендикулярно бороздкам; это движение и показано на рис. 3 в виде последовательных «кадров» состояния поля. Скорость этих волн легко настраивается подбором длины волны света. Теперь важный момент - электрическое поле в этой волне тоже направлено вдоль поверхности, параллельно направлению движения волны. Возникают идеальные условия для ускорения частиц: если электронный сгусток движется с той же скоростью, что и волна, то она его просто подхватывает и несет вперед, попутно разгоняя своим электрическим полем.

Сразу две группы экспериментаторов сконструировали новый двухступенчатый лазерно-плазменный ускоритель. Электронный сгусток создается и ускоряется до энергии около 1 ГэВ одним-единственным лазерным импульсом, причем длина тандема «инжектор плюс ускоритель» не превышает одного сантиметра.

Масштабы современных ускорителей элементарных частиц впечатляют. Длина туннеля Большого адронного коллайдера составляет 27 км, а проектируемый сейчас линейный электрон-позитронный коллайдер следующего поколения будет иметь около 50 километров в длину. Такие колоссальные для научных приборов размеры — не прихоть физиков; они возникают по той простой причине, что современные технологии не способны достаточно быстро ускорять элементарные частицы.

Вообще, ускоряют частицы сильным электрическим полем, причем, чем сильнее поле, тем эффективнее ускорение. В современных ускорителях используется электрическое поле стоячей радиоволны, которую накачивают и удерживают в специальных металлических сверхпроводящих резонаторах. Но у этой методики есть свой технологический предел: если радиоволна будет слишком мощной, по поверхности резонатора будут течь слишком большие токи, и материал таких токов просто не выдержит. Поэтому предел электрических полей в резонаторах на сегодня — примерно 20 мегавольт на метр (МВ/м), и подняться существенно выше этого значения вряд ли удастся. Это означает, что достичь энергии 500 ГэВ (планируемая энергия электронов на будущем линейном коллайдере) можно лишь на длине 25 км, из-за чего линейный коллайдер становится не только исключительно сложным, но и очень дорогим прибором.

Эксперимент показал, что электрическое поле в таком плазменном ускорителе может в тысячи раз(!) превышать то, что достижимо в резонаторах. Например, в 2006 году было достигнуто ускорение электронов до энергии 1 ГэВ на участке длиной чуть более 3 см, что отвечает ускоряющему полю напряженностью 30 ГВ/м. Эти достижения открывают головокружительные перспективы — ведь с помощью технологии кильватерного ускорения тот же электрон-позитронный коллайдер на 500 ГэВ можно, казалось бы, уместить в сотню метров. Однако не всё так просто: есть целый ряд трудностей, которые потребуется преодолеть, прежде чем подобные проекты станут реальностью.

Во-первых, такая методика опробована только на участках длиной в сантиметры (впрочем, сейчас появляются предложения, как эту трудность преодолеть). Поэтому для достижения по-настоящему высоких энергий потребуется ускорять частицы, прогоняя их через множество последовательных «ступеней ускорителя». Однако такое комбинирование ускоряющих ячеек пока что не было реализовано. Во-вторых, ускоритель не должен слишком сильно размазывать сгусток ускоренных частиц ни в пространстве, ни по углам расхождения, ни по энергии.

В июле в журнале Physical Review Letters появились сразу две статьи, в которых сообщается о преодолении этих трудностей. Более конкретно, две группы исследователей независимо друг от друга сконструировали двухступенчатый полностью оптический лазерно-плазменный ускоритель электронов. Схема эксперимента показана на рис. 1. Для примера здесь изображена установка китайской группы физиков ; схема эксперимента в статье американской группы была очень похожей.

Сердцем установки являются две соосно соединенных цилиндрических камеры миллиметровых размеров. Первая камера заполнена смесью гелия и кислорода; вторая — чистым гелием. Мощный сверхкороткий фокусированный лазерный импульс проходит последовательно через обе камеры, ионизируя газ и создавая плазменный пузырек сначала в первой, а затем во второй камере. Рабочим газом для создания плазмы и ускорения электронов является гелий, а кислород в первой камере нужен как источник электронов . Установка не зря называется «полностью оптическим ускорителем»: никаких внешних электронов в нее не поступает. Электроны порождаются в первой камере за счет ионизации атомов кислорода под действием лазерной вспышки, там же они предварительно разгоняются, затем впрыскиваются во вторую камеру, разгоняются там еще больше (за счет той же самой лазерной вспышки) и потом выходят наружу.

Таким образом, на длине меньше сантиметра физики умудрились создать целый ускорительный комплекс: инжектор с предварительным ускорителем, линия передачи, а затем основной ускоритель. Подчеркнем, что эти две секции ускорителя работают не независимо, а в едином тандеме: один-единственный сверхкороткий лазерный импульс, идущий сквозь обе камеры, выполняет за один проход всю работу: порождает нужные пузырьки плазмы, генерирует компактный электронный сгусток, а затем разгоняет его в двух камерах.

Опыты показали, что энергия электронного сгустка на выходе зависит как от длины ускоряющей секции, так и от мощности вспышки. Зависимость от мощности лазера оказалась не совсем простой: наибольшая энергия электронов на выходе (0,8 ГэВ) достигалась вовсе не при максимальной мощности вспышки. Это связано с тем, что сгустку электронов надо не просто попасть в плазменный пузырек, но и расположиться как можно ближе к его задней стенке — там электрическое поле сильнее всего.

Еще одним успехом этой двухступенчатой схемы ускорения стали замечательные характеристики сгустка электронов на выходе. На рис. 2 показано распределение электронов по энергии и по угловому расхождению сгустка; изображение вверху отвечает только одной стадии (инжектор без ускорителя), изображение внизу — полному тандему. В обоих случаях по горизонтали показана энергия электронов, по вертикали — угловое расхождение в миллирадианах (угол в один градус — это примерно 17 мрад). Картинки вверху и внизу отличаются разительно. После стадии инжектора электроны разгоняются примерно до 100 МэВ, но их энергия размазана в широком интервале. Однако после прохождение второй ступени ускорителя пучок не только приобретает энергию почти 0,5 ГэВ, но и становится намного компактнее, как по энергии, так и по углам.

Авторы обеих работ отмечают, что нынешнюю схему можно еще оптимизировать, достигнув при этом энергий 10 ГэВ. Таким образом, получение компактных многогэвных электронных сгустков в чисто оптическом и практически настольном эксперименте кажется делом ближайшего будущего. Конечно, такой лазерный ускоритель пока не может тягаться с нынешними большими коллайдерами по светимости (т. е. интенсивности пучков). Однако такому пучку, получаемому на очень компактной и относительно дешевой установке, найдется и множество других применений, как научных, так и прикладных. Напомним, что сейчас в мире существует примерно 20 тысяч ускорителей, из которых только около сотни заняты изучением физики микромира, а остальные используются в биомедицинских целях, в материаловедении, в системах безопасности и т. д. Поэтому любой новый тип компактного ускорителя частиц будет тут же взят на вооружение (см. например новость Первое применение лазерных ускорителей будет медицинским).

Источники:
1) J. S. Liu et al, All-Optical Cascaded Laser Wakefield Accelerator Using Ionization-Induced Injection // Phys. Rev. Lett. 107, 035001 (2011).
2) B. B. Pollock et al, Demonstration of a Narrow Energy Spread, ~0.5GeV Electron Beam from a Two-Stage Laser Wakefield Accelerator // Phys. Rev. Lett. 107, 045001 (2011).

Здравствуйте, меня зовут Александр, и я физик. Со стороны это может прозвучать как приговор, но на самом деле так и есть. Вышло так, что я занимаюсь фундаментальными исследованиями в физике, а именно исследую ускоренные заряженные частицы: протоны и все те, которые побольше - положительные ионы, то есть. В исследованиях я не пользуюсь большими ускорителями вроде БАК, а стреляю по фольге лазером, а из фольги вылетает импульс протонов.

Теперь пару слов обо мне. Я закончил факультет фотоники и оптоинформатики ИТМО в Санкт-Петербурге, потом уехал в магистратуру в университет Аалто (это в Финляндии) по направлению микро- и нанотехнологий, а потом плюнул на все эти маленькие штучки, микроскопы, а в особенности на чистую комнату. И ушел я в фундаментальную науку с большими лазерами. Сейчас я тружусь в аспирантуре на юго-западе Швеции в городе Лунд в одноименном университете. Это примерно на расстоянии пушечного выстрела от Копенгагена.

Как ускорил, так и полетело

Давайте подробнее сравним эти два образца сумрачного физического гения. Посмотрите на левый ускоритель и на правый, потом снова на левый и снова на правый: да, мой на коне (шутка - прим. автора). На самом деле, мой занимает всего метр в диаметре, а сами протоны ускоряются из кусочка фольги. Ее держатель находится ровно посередине круга, на нем надета красивая медная юбочка. Это гораздо проще и компактнее левого образца, который размером с автобус и вдобавок заполнен удушающим газом. Итак, вдоволь самоутвердившись (в физике часто бывает, что чем меньше - тем лучше), можно обратиться и к физике процесса ускорения.

Поскольку мы ускоряем заряженные частицы, то делать это логичнее всего электрическим полем. Поле мы будем характеризовать напряженностью. Для тех, кто после школы ушел во фронт- и бэк-энд, напомню: напряжённость электрического поля - векторная физическая величина, характеризующая электрическое поле в данной точке и численно равная отношению силы, действующей на неподвижный точечный заряд, помещённый в данную точку поля, к величине этого заряда (грязный копипаст с Википедии). Имеет размерность В/м. Возвращаясь к сравнению, ускоритель слева разгоняет протоны до 4 МэВ (Мегаэлектронвольт), то есть 2.77*10 7 м/с или 9,2% от скорости света. Поскольку заряд протона - 1, а длина ускорителя метра два, то напряженность поля составит 2 МВ/м. Здесь мы предположили, что во всех местах поле направлено в одну сторону и, в общем, были очень близки к истине. Стильный ускоритель имеет поле напряженностью порядка нескольких ТВ/м, то есть примерно в миллион раз больше. Все-таки стоит признать, что его длина составляет всего несколько микрон.

Итак, к данному моменту мы выяснили, чье поле круче. Настало время обратиться к физическим и инженерным механизмам, которое это поле создают. В случае с обычным ускорителем есть два металлических листа, один из которых заряжен отрицательно, а второй никак. Вспомните школьный эксперимент про натирание эбонитовой палочки куском шерсти. Здесь принцип абсолютно тот же, но исполнение гораздо сложнее. Если ускорять протоны из фольги, то поле создается электронами, электроны вылетают из горячей плазмы, плазма получается и нагревается лазером, и обо всем этом оставшаяся часть поста.

Хотите, я его стукну, и он станет фиолетовым в крапинку?

В моем случае, я стреляю по фольге лазером. Подробнее я его опишу после объяснения нетривиальной физики процессов получения теплой плотной материи, именно так по-научному называется плазма, являющаяся виновницей торжества ускорения моих протонов. А теперь обо всем по порядку.

Лазер генерирует импульсы длиной волны 800 нм и 35 фс длительностью (10 -15 с), то есть реальная длина импульса в вакууме примерно 10 мкм. В этот импульс упихано примерно 2 Дж энергии, а это много. Если взять этот импульс и сфокусировать на фольгу в аккуратное круглое пятнышко 5 мкм диаметром, то интенсивность получится порядка 10 20 Вт/см 2 . Это уже неприлично много. Снова чуть-чуть сравнений: сталь можно спокойно резать при интенсивности 10 8 Вт/см 2 (ну или около того).

На самом деле, импульс лазера в силу особенностей конструкции усилителя имеет предшествующий пьедестал длительностью примерно 500 пс, и этот самый пьедестал сильно помогает хорошо ускорить протоны.

Ионизирован - значит вооружен

Итак, у нас есть пьедестал, который мы тоже отлично фокусируем на кусочек фольги, а он там отлично поглощается. Чтобы не вдаваться в сложности физики твердого тела, рассмотрим поглощение отдельно стоящего атома. Из квантовой механики мы знаем, что поглотить можно только фотон, энергия которого в точности равна энергии переход электрона из одного состояния в другое. Если энергия фотона больше, чем энергия ионизации (то есть отправки электрона из родительского гнезда в свободное путешествие), то избыток перейдет в кинетическую энергию электрона, тут все просто. В нашем случае фотоны с длиной волны 800 нм не обладают достаточной энергией (это энергия одного фотона, а не всего импульса!), чтобы ионизировать мишень, но здесь физика приходит нам на помощь. Помните, я упоминал большую интенсивность излучения? Если в довесок мы еще вспомним, что свет можно представить как поток фотонов, а интенсивность ему прямо пропорциональна, то получается, что поток фотонов ну очень большой. А если поток такой большой, то велика вероятность, что несколько фотонов прилетят в одно место и в одно время, а при поглощении их энергии сложатся, и ионизация все-таки случится. Это явление, как ни странно, называется многофотонной ионизацией, и мы регулярно им пользуемся.

На данный момент мы имеем, что электроны успешно оторваны, а значит, что основной импульс приезжает на уже готовую плазму и начинает ее греть.

Основы физики плазмы (не придумал шутку, ах)

Нашей главной характеристикой плазмы будут ее плотность (количество электронов на единицу объема), эту величину мы в дальнейшем будем обозначать $n_e$ (не путать с показателем преломления!), и температура этих самых электронов, то есть их средняя скорость движения. Это описывается распределением Больцмана так же, как и в школьном курсе физики:

$$display$$\frac{m_e v^2}{2} = \frac{1}{2} k_B T_e,$$display$$

$$display$$\langle v \rangle = \sqrt{k_B T_e/m_e},$$display$$

Теперь мы приложим к уже описанной плазме электрическое поле. Напомню, что состоит плазма из заряженных частиц, а значит при данной плотности на некотором расстоянии от того места, где мы приложили поле, электроны заслонят (экранируют) собой источник (такая толпа маленьких Матросовых - прим. автора). Расстояние, которое необходимо для этого называется Дебаевской длиной и задается уравнением

$$display$$ \lambda_D = \sqrt{\frac{\epsilon_0 k_B T_e}{q^2_e n_e}}. $$display$$

Из-за эффекта экранирования и вполне определенной (от температуры) средней скорости движения электронов плазма реагирует на внезапно прилетевшее поле не мгновенно. Логично предположить, что время отклика связано с Дебаевской длиной и скоростью движения электронов. Хорошая аналогия - бросок камня в озеро. По сравнению с целым озером камень воздействует на поверхность воды точечно. Часть воды изменяется сразу (это там, где плюхнуло), а затем волны начинают распространяться по водной глади. В случае с плазмой внезапно появившееся электрическое поле - это камень. Размеры плюха обусловлены длиной экранирования (дальше него поле не действует), а распространение волн зависит от того, насколько близко электроны находятся друг к другу. Мы можем ввести такую характеристику как время отклика плазмы:

$inline$ t_D = \lambda_D / v $inline$ . По большому счету она показывает нам то время, за которое информация об изменении приложенного поля дойдет до тех электронов, которые этого поля как бы и не видели.

Поскольку мы физики, время мы не очень любим. Гораздо удобнее работать с частотами, поэтому мы введем понятие собственной частоты плазмы. Эта величина покажет нам, как часто мы можем менять поле, чтобы все скопление электронов, которое мы гордо называем плазмой, успевало на эти изменения отреагировать. Ну что может быть проще? Поделим единицу на время отклика, и вот она - частота:

$$display$$ \omega_p = \frac{1}{t_D} = \sqrt{\frac{q^2_e n_e}{\epsilon_0 m_e}}. $$display$$

Собственная частота плазмы также определяет ее показатель преломления. Если честно написать волновое уравнение коллективного движения электронов в плазме, а потом предположить небольшие изменения электронной плотности (делать этого мы здесь не будем, потому что это скучно), то задается показатель преломления так:

$$display$$ \eta = \sqrt{1-\frac{\omega^2_p}{\omega^2_0}}. $$display$$

Посмотрим внимательно на это выражение. Как физик-экспериментатор я души не чаю в действительных числах, а комплексные стараюсь игнорировать, особенно комплексный показатель преломления. Ну как может свет, в конце концов, распространяться в веществе в i раз медленнее, чем в вакууме? Это же бред какой-то! На самом деле нет, но об этом в другой раз. Если $inline$\omega_0 > \omega_p$inline$ , то выражение имеет действительной значение, и переменное электрическое поле распространяется внутри нашей плазмы. Все довольны, а такую плазму мы будем величать недостаточно плотной. Однако если $inline$\omega_0 < \omega_p$inline$ , то показатель преломления становится не то что комплексным, а целиком мнимым. В этом случае (и не просто потому что я так захотел) волна вообще не будет там распространяться, а сразу отразится без потерь. Это слишком плотная плазма. Очень классное явление, кстати. Называется плазменным зеркалом.

И в качестве десерта $inline$\omega_0 = \omega_p$inline$ . Это плазма критической плотности. В этом случае она начинает входить в резонанс с вынуждающим (поданным нами) переменным электрическим полем. Для такого особого случая можно даже ввести понятие критической плотности и задать ее вот так:

$$display$$ n_c = \frac{\epsilon_0 m_e \omega^2_0}{q^2_e}. $$display$$

ШОК! Нагрев плазмы! Для этого надо только...

Для начала, пусть плазма, которую мы образовали пьедесталом будет иметь плавный градиент плотности, в этом случае мы имеем нагрев через резонансное поглощение. Иллюстрация этого на картинке дальше.

Иллюстрация процесса резонансного поглощения: а) распределение плотности электронов вблизи передней стороны мишени; б) преломление лазерного пучка в плазме с градиентом плотности; в) электрическое поле в плазме

Итак, лазер светит на нашу плазму под углом, ну пусть 45 градусов, и при этом он поляризован в плоскости падения. Поляризация обозначена красными стрелочками на рисунке. Наша плазма имеет градиент плотности, а значит ее показатель преломления непрерывно меняется (здесь - растет). В какой-то момент случится так, что некоторый слой плазмы для нашего лазера станет «поворотным» и он отразится, то есть некоторое время будет распространяться параллельно критическому слою. Важно отметить, что повернет он раньше того, как долетит до слоя с критической плотностью, поскольку запустили мы его под углом к нормали. Плотность плазмы, на которой лазерный пучок повернет, задается таким уравнением:

$$display$$ n_t = n_c \cos^2 \alpha,$$display$$

Теперь начинается самое интересное. Вспомним, что свет - это не только поток фотонов, но еще и электромагнитная волна, то есть у нашего импульса есть электрическое поле, которое гармонически колеблется с большой амплитудой. При распространении света параллельно критическому слою образуется стоячая волна, которая не изменяется с течением времени (естественно, пока лазерный импульс на месте). Поле этой волны, на самом деле, проникает дальше того слоя плазмы, где свет повернул, и дотягивается до критического слоя. Напомню, что частота колебаний плазмы в критическом слое такая же, как и частота лазерного излучения, а значит происходит резонанс. Когда лазер перестал светить, энергия, которую он сообщил электронам в критическом слое, распределяется через удары остальным электронам, а это и значит, что плазма нагрелась.

Так а где, собственно, ускорение?

	Формирование плазмы пьедесталом, то есть ионизация передней стороны мишени. В качестве мишени обычно используют фольгу толщиной 0,4 - 12 мкм.
	Здесь основная часть импульса взаимодействует с созданной плазмой и нагревает ее. Некоторые электроны настолько хорошо прогрелись, что вылетают с обратной стороны мишени.
	Когда электронов повылетало достаточно много, оставшийся положительный заряд в фольге тянет их обратно. В плазме они снова нагреваются и вылетают. На некоторое время устанавливается динамическое равновесие. Электрическое поле направлено перпендикулярно мишени
	Это самое электрическое поле отрывает протоны и другие ионы (в зависимости от того, что там было вообще) от задней поверхности мишени, а затем ускоряет их. К тому моменту, когда ионы ускорились, электронное облако уже разваливается, и все частицы начинают лететь дальше вместе. И тут мы начинает считать, что они и не взаимодействуют больше.

Разделяй и властвуй

Кроме этого, мы можем посмотреть профиль пучка летящих протонов. Он круглый, кстати. А если мы сможем померить еще и энергию протонов в каждой части пучка, то сможем однозначно восстановить форму электронного облака, которое наши протоны ускорило.

Вместо заключения

Для особо любопытных про сам лазер и его устройство

Особенно вдаваться в лазерную теорию я не буду. Основы того, откуда берется лазерное излучение отлично изложены в статье на Википедии про вынужденное излучение. Если постараться быть совсем кратким, то для лазерного излучения нужны три составляющие: активная среда (из нее как раз и вылетают фотоны), накачка (она поддерживает активную среду в состоянии, в котором больше возбужденных атомов, которые могут излучить), а также резонатор (он обеспечивает то, что фотоны копируют друг друга при многократных прохождениях через активную среду). Если составить все компоненты вместе и помолиться, то лазер начнет светить, но непрерывно. Если постараться еще, то можно заставить его генерировать импульсы, в том числе и такие короткие, как на моей установке. Для самых любознательных, метод генерации фемтосекундных импульсов называется пассивной синхронизацией мод. И теперь небольшая особенность ну очень коротких импульсов. Часто считают, что лазер светит на одной длине волны, и в непрерывном режиме, а также на длинных импульсах это можно даже назвать правдой. На самом деле, из-за ряда сложных физических процессов, которые здесь мы обсуждать уж точно не будем, временная форма импульса и его спектр связаны преобразованием Фурье. То есть чем импульс короче, тем шире его спектр.

Допустим, что мы запустили задающий генератор, но энергия его импульсов несколько нДж. Помните, в начале я говорил, что энергия в импульсе, который прилетает в мишень около 2 Дж? Так вот, это в миллиард раз больше. Значит, импульс надо усилить, и про это мы поговорим подробнее.

Короткие импульсы вообще характеризуются очень большими пиковыми мощностями (помните же, энергию поделить на время?), а у этого есть ряд осложнений. Если в среду посветить излучением с большой интенсивностью (мощность на единицу площади), то она сгорит, а если активная среда сгорела, то усилить уже ничего не получится. Именно поэтому мы выбираем частоту повторения 10 Гц и усиливаем только их. Поскольку оборудования много и все оно работает именно на такой частоте, у нас есть специальная коробка, которая всему железу эти 10 Гц раздает, и для каждого устройства можно выбрать задержку получения сигнала с точностью до нескольких пикосекунд.

Бороться с высокой интенсивностью можно двумя способами. Как несложно догадаться из ее определения, нужно либо увеличить площадь, либо уменьшить мощность. С первым все предельно ясно, а вот второй способ стал прорывом лазерной технологии в двадцатом века. Если импульс изначально очень короткий, его можно растянуть, усилить, а потом снова сжать.

Чтобы понять, как это сделать, обратимся к основам оптики. Для разных длин волн показатели преломления в среде разные, а это значит (по определению показателя преломления, кстати), что с ростом показателя преломления уменьшается скорость распространения света в среде. И вот мы запустили в среду наш импульс, и его красная часть прошла материал быстрее, чем синяя, то есть импульс стал длиннее, а его пиковая мощность упала. Ура, теперь ничего не горит! Для более глубоких познаний в этой области рекомендую погуглить и почитать про усиление чирпированных импульсов (оно же Chirped Pulse Amplification или CPA).

Все, что нам осталось сделать - это усилить импульс, сжать, сфокусировать и отправить его делать дырку в фольге!

А теперь немного картинок с подписями.

Собственно фоточка лаборатории. Цилиндрическая хрень посередине - вакуумная камера, потому что протоны очень паршиво летают в воздухе и все время стукаются о его молекулы. Ну и в целом, с вакуумом все смотрится круче. Синяя штука справа - свинцовая стенка, чтобы невзначай не получить суперспособностей и лучевой болезни. Сам лазер находится за дверью, которая слева с желтым знаком ахтунга

А вот и сама стена в профиль. Да, внутри она набита свинцом, как Винни-Пух.

За стенкой находится наш командный пункт, когда мы стреляем, то по технике безопасности положено сидеть за ней. От радиации мы, конечно, не умрем, но вот ослепнуть можно запросто. Здесь пять мониторов на два компа, запутаться во всем этом барахле очень легко. На одном из компов есть колоночки, поэтому во время работы в подземелье можно слушать Лободу и Большого Русского Босса, по необъяснимым причинам они нравятся и моим коллегам тоже. Только половина из них шведы, кстати.

У нас еще есть свинцовая дверь-купе. Она на гидравлическом приводе.

Вот мы и внутри комнаты с лазером. Это фотография первого стола, на котором рождается лазерный импульс. Здесь же он предусиливается (в 1000 раз примерно) и растягивается. На полочке сверху стоит куча очень важной и нужной электроники, без которой лазер работать не будет.

Это второй стол, в котором усиливается излучение после первого. Этот усилитель - наша главная рабочая лошадка - он повышает энергию в сорок тысяч раз. На самом деле, в нем стоит два разных по устройству усилителя: многопроходовый и регенеративный. В первом импульс просто несколько раз проходит через активную среду. Во втором есть свой собственный резонатор. С помощью электрооптических затворов (ячейки Покельса) импульс запускают внутрь, он проходит там несколько раз, пока не усиление не насытится, а потом его выпускают дальше. Именно здесь так важна скорость и точность открытия-закрытия затворов.

Это третий стол, тут усиление примерно 15 раз. Башня посередине, которая торчит над крышкой - криостат. В нем в вакууме находится здоровенный кристалл, который охлаждается жидким гелием до температуры -190 градусов Цельсия.

Это отдельная комната, в которой находятся источники питания накачки третьего стола и основные вакуумные насосы. КПД от розетки у системы так себе, примерно 0,1\%. Я как-то посчитал, что потребляемая электрическая мощность примерно 160 кВт. Это примерно 960 видеокарт можно запитать и майнить, майнить, майнить. Столько электричества потребляется при усилении на частоте повторения 10 Гц. Если бы мы пытались усилить 80 МГц, то потребление выросло бы в 8 миллионов раз.

Спасибо за внимание!

Что и в начале, то есть требуется проводить ускорение в сильносфокусированных полях, в которых существенна продольная составляющая электрического поля , но в таких полях фазовая скорость волны вдоль оси распространения больше скорости света , поэтому электроны быстро отстают от ускоряющего поля. Чтобы компенсировать последний эффект предлагалось проводить ускорение в газе , где относительная диэлектрическая проницаемость выше единицы, и фазовая скорость уменьшается. Однако в этом случае существенным ограничением является то, что уже при интенсивностях излучения порядка 10 14 Вт/см² газ ионизируется , образуя плазму , что приводит к дефокусировке лазерного пучка. Экспериментально таким методом была продемонстрирована модуляция в 3,7 МэВ пучка электронов, имевших энергию 40 МэВ .

Ускорение в плазменной волне

При распространении достаточно интенсивного лазерного импульса в газе происходит его ионизация с образованием неравновесной плазмы, в которой за счёт пондеромоторного воздействия лазерного излучения возможно возбуждения так называемой кильватерной волны - ленгмюровской волны , бегущей вслед импульсу. В этой волне имеются фазы, в которых продольное электрическое поле является ускоряющим для электронов, бегущих вместе с волной. Поскольку фазовая скорость продольной волны равна групповой скорости лазерного импульса в плазме, которая лишь немногим меньше скорости света, релятивистские электроны могут находиться в ускоряющей фазе достаточно длительное время, приобретая значительную энергию. Этот метод ускорения электронов был впервые предложен в 1979 году .

При увеличении интенсивности лазерного импульса увеличивается амплитуда возбуждаемой плазменной волны и, как следствие, увеличивается темп ускорения. При достаточно высоких интенсивностях плазменная волна становится нелинейной и, в конце концов, обрушается. При этом возможно возникновение сильно нелинейного режима распространения лазерного импульса в плазме - так называем пузырьковый (или баббл-) режим, в котором позади лазерного импульса образуется полость, похожая на пузырёк, практически полностью лишённая электронов. В этой полости также имеется продольное электрическое поле, способное эффективно ускорять электроны.

Экспериментально в линейном режиме взаимодействия был получен пучок электронов, ускоренный до энергий порядка 1 ГэВ на трассе длиной 3 см. Для компенсации дифракционной расходимости лазерного импульса в этом случае дополнительно использовался волновод в виде тонкого капилляра . Увеличение мощности лазерного импульса до уровня петаватта позволило повысить энергию электронов до 2 ГэВ . Дальнейшее увеличение энергии электронов было достигнуто за счёт разделения процессов их инжекции в ускоряющую плазменную волну и собственно процесса ускорения. Этим методом в 2011 году были получены электроны с энергией около 0,5 ГэВ , а в 2013 году был превышен уровень 3 ГэВ, причём общая длина ускорительного канала составила всего 1,4 см (4 мм - инжекционный этап, 1 см - ускорительный этап) . В 2014 году в Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли были получены первые экспериментальные результаты по ускорению электронов в капилляре длиной 9 см при помощи лазера BELLA . В этих экспериментах было продемонстрировано ускорение до энергии, превышающей 4 ГэВ, лазерным импульсом мощностью 0,3 ПВт, что стало новым рекордом .

В нелинейном режиме взаимодействия максимально достигнутая энергия составила 1,45 ГэВ на трассе длиной 1,3 см. В эксперименте использовался лазерный импульс мощностью 110 ТВт .

См. также

Напишите отзыв о статье "Лазерное ускорение электронов"

Примечания

1. R. Joel England et al. Rev. Mod. Phys. DOI :10.1103/RevModPhys.86.1337 .
2. E. Esarey, P. Sprangle, J. Krall (англ.) // Phys. Rev. E . - 1995. - Vol. 52 . - P. 5443 .
3. T. Tajima, J. M. Dawson (англ.) // Phys. Rev. Lett. . - 1979. - Vol. 43 . - P. 267 .
4. W. P. Leemans et al. (англ.) // Nature Physics . - 2006. - Vol. 2 . - P. 696-699 .
5. Xiaoming Wang et al. (англ.) // Nature Communications . - 2013. - Vol. 4 . - P. 1988 .
6. B. B. Pollock et al. (англ.) // Phys. Rev. Lett. . - 2011. - Vol. 107 . - P. 045001 .
7. Hyung Taek Kim et al. (англ.) // Phys. Rev. Lett. . - 2013. - Vol. 111 . - P. 165002 . - DOI :10.1103/PhysRevLett.111.165002 . - arXiv :1307.4159 .
8. W. P. Leemans et al. (англ.) // Phys. Rev. Lett. . - 2014. - Vol. 113 . - P. 245002 . - DOI :10.1103/PhysRevLett.113.245002 .
9. C. E. Clayton et al. (англ.) // Phys. Rev. Lett. . - 2010. - Vol. 105 . - P. 105003 .

Литература

Научная

• E. Esarey, C. B. Schroeder, W. P. Leemans (англ.) // Rev. Mod. Phys. . - 2009. - Vol. 81 . - P. 1229-1284 .
• K. Krushelnick, V. Malka (англ.) // Laser & Photon Rev. . - 2009. - Vol. 4 . - P. 42-52 .
• А. В. Коржиманов, А. А. Гоносков, Е. А. Хазанов , А. М. Сергеев // УФН . - 2011. - Т. 181 . - С. 9-32 .
• V. Malka Laser plasma accelerators (англ.) // Phys. Plasmas . - 2012. - Vol. 19 . - P. 055501 . - DOI :10.1063/1.3695389 .
• S. M. Hooker Developments in laser-driven plasma accelerators (англ.) // Nature Photonics . - 2013. - Vol. 7 . - P. 775–782 . - DOI :10.1038/nphoton.2013.234 .
• R. Joel England et al. (англ.) // Rev. Mod. Phys. . - 2014. - Vol. 86. - P. 1337. - DOI :10.1103/RevModPhys.86.1337 .
• И. Ю. Костюков, A. M. Пухов (рус.) // УФН . - 2015. - Т. 185 . - С. 89 . - DOI :10.3367/UFNr.0185.201501g.0089 .

Научно-популярная

• Л. М. Горбунов // Природа . - 2007. - № 4 .
• В. Ю. Быченков // Наука и жизнь . - 2010. - № 12 .

Отрывок, характеризующий Лазерное ускорение электронов

Приехав в Петербург, Пьер никого не известил о своем приезде, никуда не выезжал, и стал целые дни проводить за чтением Фомы Кемпийского, книги, которая неизвестно кем была доставлена ему. Одно и всё одно понимал Пьер, читая эту книгу; он понимал неизведанное еще им наслаждение верить в возможность достижения совершенства и в возможность братской и деятельной любви между людьми, открытую ему Осипом Алексеевичем. Через неделю после его приезда молодой польский граф Вилларский, которого Пьер поверхностно знал по петербургскому свету, вошел вечером в его комнату с тем официальным и торжественным видом, с которым входил к нему секундант Долохова и, затворив за собой дверь и убедившись, что в комнате никого кроме Пьера не было, обратился к нему:
– Я приехал к вам с поручением и предложением, граф, – сказал он ему, не садясь. – Особа, очень высоко поставленная в нашем братстве, ходатайствовала о том, чтобы вы были приняты в братство ранее срока, и предложила мне быть вашим поручителем. Я за священный долг почитаю исполнение воли этого лица. Желаете ли вы вступить за моим поручительством в братство свободных каменьщиков?
Холодный и строгий тон человека, которого Пьер видел почти всегда на балах с любезною улыбкою, в обществе самых блестящих женщин, поразил Пьера.
– Да, я желаю, – сказал Пьер.
Вилларский наклонил голову. – Еще один вопрос, граф, сказал он, на который я вас не как будущего масона, но как честного человека (galant homme) прошу со всею искренностью отвечать мне: отреклись ли вы от своих прежних убеждений, верите ли вы в Бога?
Пьер задумался. – Да… да, я верю в Бога, – сказал он.
– В таком случае… – начал Вилларский, но Пьер перебил его. – Да, я верю в Бога, – сказал он еще раз.
– В таком случае мы можем ехать, – сказал Вилларский. – Карета моя к вашим услугам.
Всю дорогу Вилларский молчал. На вопросы Пьера, что ему нужно делать и как отвечать, Вилларский сказал только, что братья, более его достойные, испытают его, и что Пьеру больше ничего не нужно, как говорить правду.
Въехав в ворота большого дома, где было помещение ложи, и пройдя по темной лестнице, они вошли в освещенную, небольшую прихожую, где без помощи прислуги, сняли шубы. Из передней они прошли в другую комнату. Какой то человек в странном одеянии показался у двери. Вилларский, выйдя к нему навстречу, что то тихо сказал ему по французски и подошел к небольшому шкафу, в котором Пьер заметил невиданные им одеяния. Взяв из шкафа платок, Вилларский наложил его на глаза Пьеру и завязал узлом сзади, больно захватив в узел его волоса. Потом он пригнул его к себе, поцеловал и, взяв за руку, повел куда то. Пьеру было больно от притянутых узлом волос, он морщился от боли и улыбался от стыда чего то. Огромная фигура его с опущенными руками, с сморщенной и улыбающейся физиономией, неверными робкими шагами подвигалась за Вилларским.
Проведя его шагов десять, Вилларский остановился.
– Что бы ни случилось с вами, – сказал он, – вы должны с мужеством переносить всё, ежели вы твердо решились вступить в наше братство. (Пьер утвердительно отвечал наклонением головы.) Когда вы услышите стук в двери, вы развяжете себе глаза, – прибавил Вилларский; – желаю вам мужества и успеха. И, пожав руку Пьеру, Вилларский вышел.
Оставшись один, Пьер продолжал всё так же улыбаться. Раза два он пожимал плечами, подносил руку к платку, как бы желая снять его, и опять опускал ее. Пять минут, которые он пробыл с связанными глазами, показались ему часом. Руки его отекли, ноги подкашивались; ему казалось, что он устал. Он испытывал самые сложные и разнообразные чувства. Ему было и страшно того, что с ним случится, и еще более страшно того, как бы ему не выказать страха. Ему было любопытно узнать, что будет с ним, что откроется ему; но более всего ему было радостно, что наступила минута, когда он наконец вступит на тот путь обновления и деятельно добродетельной жизни, о котором он мечтал со времени своей встречи с Осипом Алексеевичем. В дверь послышались сильные удары. Пьер снял повязку и оглянулся вокруг себя. В комнате было черно – темно: только в одном месте горела лампада, в чем то белом. Пьер подошел ближе и увидал, что лампада стояла на черном столе, на котором лежала одна раскрытая книга. Книга была Евангелие; то белое, в чем горела лампада, был человечий череп с своими дырами и зубами. Прочтя первые слова Евангелия: «Вначале бе слово и слово бе к Богу», Пьер обошел стол и увидал большой, наполненный чем то и открытый ящик. Это был гроб с костями. Его нисколько не удивило то, что он увидал. Надеясь вступить в совершенно новую жизнь, совершенно отличную от прежней, он ожидал всего необыкновенного, еще более необыкновенного чем то, что он видел. Череп, гроб, Евангелие – ему казалось, что он ожидал всего этого, ожидал еще большего. Стараясь вызвать в себе чувство умиленья, он смотрел вокруг себя. – «Бог, смерть, любовь, братство людей», – говорил он себе, связывая с этими словами смутные, но радостные представления чего то. Дверь отворилась, и кто то вошел.
При слабом свете, к которому однако уже успел Пьер приглядеться, вошел невысокий человек. Видимо с света войдя в темноту, человек этот остановился; потом осторожными шагами он подвинулся к столу и положил на него небольшие, закрытые кожаными перчатками, руки.
Невысокий человек этот был одет в белый, кожаный фартук, прикрывавший его грудь и часть ног, на шее было надето что то вроде ожерелья, и из за ожерелья выступал высокий, белый жабо, окаймлявший его продолговатое лицо, освещенное снизу.
– Для чего вы пришли сюда? – спросил вошедший, по шороху, сделанному Пьером, обращаясь в его сторону. – Для чего вы, неверующий в истины света и не видящий света, для чего вы пришли сюда, чего хотите вы от нас? Премудрости, добродетели, просвещения?
В ту минуту как дверь отворилась и вошел неизвестный человек, Пьер испытал чувство страха и благоговения, подобное тому, которое он в детстве испытывал на исповеди: он почувствовал себя с глазу на глаз с совершенно чужим по условиям жизни и с близким, по братству людей, человеком. Пьер с захватывающим дыханье биением сердца подвинулся к ритору (так назывался в масонстве брат, приготовляющий ищущего к вступлению в братство). Пьер, подойдя ближе, узнал в риторе знакомого человека, Смольянинова, но ему оскорбительно было думать, что вошедший был знакомый человек: вошедший был только брат и добродетельный наставник. Пьер долго не мог выговорить слова, так что ритор должен был повторить свой вопрос.
– Да, я… я… хочу обновления, – с трудом выговорил Пьер.
– Хорошо, – сказал Смольянинов, и тотчас же продолжал: – Имеете ли вы понятие о средствах, которыми наш святой орден поможет вам в достижении вашей цели?… – сказал ритор спокойно и быстро.
– Я… надеюсь… руководства… помощи… в обновлении, – сказал Пьер с дрожанием голоса и с затруднением в речи, происходящим и от волнения, и от непривычки говорить по русски об отвлеченных предметах.
– Какое понятие вы имеете о франк масонстве?
– Я подразумеваю, что франк масонство есть fraterienité [братство]; и равенство людей с добродетельными целями, – сказал Пьер, стыдясь по мере того, как он говорил, несоответственности своих слов с торжественностью минуты. Я подразумеваю…
– Хорошо, – сказал ритор поспешно, видимо вполне удовлетворенный этим ответом. – Искали ли вы средств к достижению своей цели в религии?
– Нет, я считал ее несправедливою, и не следовал ей, – сказал Пьер так тихо, что ритор не расслышал его и спросил, что он говорит. – Я был атеистом, – отвечал Пьер.

В другую сторону

Если лазер научились использовать для охлаждения материи, точнее, для замедления ее до сверхнизких скоростей, то возникает естественный вопрос: можно ли, напротив, ее ускорить? Ответ положительный, этим занимаются во многих лабораториях мира, в том числе в совместной лаборатории релятивистской лазерной плазмы Физического института имени П.Н. Лебедева и Международного лазерного центра МГУ имени М.В. Ломоносова. Разгоняют здесь не атомы, а ионы и электроны. Остановимся для примера на электронах. Итак, обо всем по порядку.

Почему вообще родилась идея использовать лазеры для ускорения частиц? Существуют же ускорители… почему не обойтись ими? Суть в том, что для ускорения частиц требуются либо сильные поля, либо поля послабее, но на протяженных расстояниях. Природа так устроена, что сильное поле невозможно создать в вакууме, окруженном твердыми предметами. «Как только прикладывается сильное поле, все, из чего состоит любая конструкция, ионизуется. Вырываются электроны, идет лавина, возникает пробой. В таких условиях никакие эксперименты не пойдут», - поясняет главный научный сотрудник ФИАН Валерий Быченков, занимающийся проблемами лазерного ускорения заряженных частиц. Иное дело плазма - среда, состоящая из ионизованных частиц. Она уже по определению может выдержать сильные поля, а лазер в состоянии создать и поля, и саму плазму. Иными словами, ускорять частицы здесь можно на маленьких масштабах. Первая такая идея появилась 30 лет назад, но подходящие лазеры появились только ближе к концу XX века, и это направление стало интенсивно развиваться.

Итак, для лазерного ускорителя нужны лазер и облако газа. Проходя сквозь газ, мощный импульс лазерного луча выталкивает на своем пути электроны. Можно достичь такого режима, что позади импульса образуется область, практически полностью лишенная отрицательно заряженных частиц («дырка»).

«Именно в этой области, - говорит Быченков, - можно наиболее эффективно ускорять электроны. Дырка движется за лазерным импульсом. В обратном направлении ее обтекают вытолкнутые лазером электроны. Те, что попадут внутрь, - ускорятся».

Ученые называют возникающую структуру bubble (пузырь - англ.). Она и вправду похожа на пузырь - без электронов внутри, с «пленкой» из электронов снаружи. Но ускориться могут только те электроны, которые попадут в сам «пузырь». Именно с изящным методом внедрения таких электронов связано научное достижение теоретической группы ФИАН, возглавляемой Валерием Быченковым. Они предложили схему, с помощью которой в итоге был достигнут принципиально новый уровень энергий электронов - 1,5 ГэВ (до этого весь мир много лет «топтался» на уровне, не превосходящем 1 ГэВ).

Задумка российских ученых состояла в следующем. Обычно в качестве рабочего вещества плазмы берут гелий: он очень легко ионизуется лазером. И в этом проблема: «кончик», или, лучше сказать, передний фронт лазерного импульса имеет небольшую интенсивность, но все равно «сдувает» все электроны с атомов гелия, и большинство из них уходит далеко от «пузыря».

Фиановцы предложили использовать газ потяжелее, например азот или кислород, энергия полной ионизации которых выше.

То есть часть легких электронов с внешних оболочек атома уйдет с передним фронтом, а часть останется и дождется пика лазерного импульса. Он их тоже «сдует», но пойдут они уже совсем по другим траекториям, попадая в «пузырь» и в нем ускоряясь.

Дальше нужен был эксперимент, и российские физики нашли его, уже готовый, - только, увы, в Мичиганском университете (США). Однако американцы не сразу поверили ученым из России: ведь если в плазме применять атомы газов с большим числом электронов, это мешает распространению лазерного луча.

Тераваттный фемтосекундный лазерный комплекс на сапфире с титаном МЛЦ МГУ. На нем проводятся, в частности, эксперименты по лазерному ускорению заряженных частиц. Фото Григория Головина, Игната Соловья, STRF.ru

«Американцы хотели работать с гелием, - вспоминает Быченков. - Приходят они утром на работу, включают лазер с гелием и наблюдают ускорение электронов. А ближе к ланчу картинка исчезает. Получается анекдот: чем исследователи голоднее, тем меньше у них шансов получить электроны. Вечером они расстроенные уходят домой, утром возвращаются, включают установку, получают электроны…. те ближе к обеду исчезают. И так всю дорогу… Выяснилось: когда установка вечером выключалась, все капилляры и патрубки заполнялись воздухом. Утром в системе был якобы «гелий», а на самом деле и более тяжелые элементы - азот и кислород. Затем трубки наполнялись чистым гелием, и… как говорится, смотрите выше. Иными словами, тяжелые элементы надо было брать в небольшом количестве, тогда это на распространение лазерного света не повлияет - что, собственно, и хотелось попробовать с самого начала, и что, собственно, и получилось в эксперименте само собой».

В конце концов все это интересная физика, но лазерный ускоритель - не просто красивая игрушка. С его помощью можно создавать специальные источники рентгеновского и гамма-излучения. Конечно, для рентгена легких они не подойдут, но ими, в частности, можно проводить проверку любого контейнера с радиоактивными материалами без его вскрытия. Обычно без дополнительных исследований нельзя сказать, что в нем находится. Однако если контейнер облучить из источника, основанного на ускоренных лазером частицах, то можно «пробежать» по целому спектру гамма-излучения, и на какой-то длине волны радиоактивный материал обязательно отзовется, а это позволит определить его природу.

Как ускорение, так и замедление частиц с помощью лазера - это сравнительно новые области исследований. И можно не только найти им какие-то применения, но и дойти до таких экстремальных состояний, которые никаким другим образом получить нельзя. А ведь, как уже говорилось в начале, именно в экстремальных состояниях рождается действительно новое в науке. В частности, при охлаждении атомов это конденсат Бозе-Эйнштейна. Лазерное ускорение пока не достигло столь «экстремальных» успехов. Но ученые надеются, что, ускоряя лазером уже протоны, смогут достичь гигантских значений магнитного поля в узких областях пространства - до 1 млн тесла (для сравнения: мировой рекорд для постоянного магнитного поля - всего несколько десятков тесла, а поля в атомах не превышают 10 тысяч тесла). Предсказать, что это откроет для физики, мы, конечно же, не возьмемся - предоставим это читателю. Для затравки лишь добавим, что поля именно такого порядка существуют в очень любопытных объектах нашей Вселенной - нейтронных звездах, имеющих гигантскую плотность до 10 18 кг/м 3 .